第五章第五章 直流电机直流电机51直流电机的构造及励磁方式直流电机的构造及励磁方式52直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理53直流发电机直流发电机54直流电动机直流电动机第五章小结第五章小结学习第五章应该注意的点学习第五章应该注意的点第五章学习应注意的几个问题第五章学习应注意的几个问题： 1. 直流电机由什么组成？换直流电机由什么组成？换向向器的作用是什么？绕组元器的作用是什么？绕组元件中的电量是交流还是直流件中的电量是交流还是直流 ？ 2. 电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它电枢电势和电磁转矩的表达式是怎样的？如何运用它们进行分析计算？们进行分析计算？ 3. 直流发电机有什么特性直流发电机有什么特性 ？直流发电机如何自励起压？直流发电机如何自励起压？ 4. 直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动直流电动机的机械特性有什么特点？为什么直流电动机通常不能直接起动？机通常不能直接起动？本章的计算任务主要是本章的计算任务主要是： 根据电压平衡方程和有关特性进行计算。根据电压平衡方程和有关特性进行计算。 比较难理解的点比较难理解的点： 1. 直流电机电刷位置；直流电机电刷位置；2. 直流电机电枢反应去磁作用。直流电机电枢反应去磁作用。5- -1.直流电机的构造及励磁方式直流电机的构造及励磁方式 本节的主要内容有三部分本节的主要内容有三部分：l 构造构造： 主要点：主要组成及作用，如换相器等。主要点：主要组成及作用，如换相器等。l 铭牌数据铭牌数据： 参数个数、数据含义。参数个数、数据含义。l 励磁方式励磁方式： 种类。种类。基本构造：基本构造： 定、转子定、转子 。电刷、换向器作用：电刷、换向器作用： 起机械起机械整流器作用整流器作用 。后续基本原理中进一。后续基本原理中进一步介绍（元件交流，电刷两端直流）步介绍（元件交流，电刷两端直流）。注意：注意：各部件的作用各部件的作用。风叶风叶风叶风叶磁极磁极磁极磁极电刷电刷电刷电刷电枢转子电枢转子电枢转子电枢转子转转转转轴轴轴轴换向器换向器换向器换向器换向片换向片换向片换向片压紧环压紧环压紧环压紧环电枢绕组电枢绕组电枢绕组电枢绕组绕组端部绕组端部绕组端部绕组端部结构结构细说细说注：注：书书P.62. 图图5-1-1的电机的电机是较大型的电机，其电枢绕是较大型的电机，其电枢绕组中间开有通风槽。组中间开有通风槽。换换换换向向向向器器器器 电枢绕组电枢绕组另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。另外一半电枢绕组也构成另外一条支路。不管电枢如何转动，一条支路中绕组感不管电枢如何转动，一条支路中绕组感应的总电势大小基本不变（微小脉动）。应的总电势大小基本不变（微小脉动）。铭牌数据：铭牌数据： 额定容量、电压、电流、转速、励额定容量、电压、电流、转速、励磁（电压、电流）等。磁（电压、电流）等。 书书P.64。额定容量：额定容量：都是指输出都是指输出。 发电机：电枢绕组输出的电功率；发电机：电枢绕组输出的电功率； 电动机：转子轴上输出的机械功率。电动机：转子轴上输出的机械功率。 额定励磁电流：额定励磁电流： 额定负载时励磁绕组通过额定负载时励磁绕组通过的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。的励磁电流。通常由励磁回路串联的变阻器调节。 通常还标明励磁电压通常还标明励磁电压以备采用与电枢电压以备采用与电枢电压不同等级时参考。不同等级时参考。 励磁方式：励磁方式：他励、并励、串励他励、并励、串励和复励和复励4 种。种。 复励：复励：（从磁通叠加效果看）（从磁通叠加效果看）积复励、差复励；积复励、差复励；（从绕组连接情（从绕组连接情况看）况看）长复励、短复励。长复励、短复励。 积复励：积复励：平复励、过复励、欠平复励、过复励、欠复励。复励。直流电动机不能采用差复励，直流电动机不能采用差复励，直流发电机不能采用串励。直流发电机不能采用串励。第一节要点第一节要点：基本结构（电刷、换向器作用）；铭：基本结构（电刷、换向器作用）；铭牌数据；励磁方式。牌数据；励磁方式。 5- -2.直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 本节的主要内容有三部分本节的主要内容有三部分：l 基本工作原理基本工作原理 ： 主要点：注意元件和电刷两端电量的性质；注意：主要点：注意元件和电刷两端电量的性质；注意：“电刷电刷”、“换向器换向器”的作用。的作用。 l 电势和转矩电势和转矩 ： 掌握电势和转矩的计算公式。掌握电势和转矩的计算公式。P.66.式（式（5-2-1）、）、（5-2-2）。）。l 电刷位置电刷位置 ： 注意分清：注意分清：“实际空间位置实际空间位置”和和“短接元件边位短接元件边位置置”。 电刷电刷A总是与处于正电位的换向片接触，总是与处于正电位的换向片接触，而电刷而电刷B总是与处于负电位的换向片接触。虽总是与处于负电位的换向片接触。虽然然bc和和de感应的电势是交变的，但电刷感应的电势是交变的，但电刷AB两两端的电压却是直流的。端的电压却是直流的。 实际直流电机的换向片较多，实际直流电机的换向片较多，电刷和换向电刷和换向器配合起机械整流器的作用器配合起机械整流器的作用。电刷和换向器配合：电刷和换向器配合：每个绕组元件每个绕组元件内部内部感应电势感应电势是交流的是交流的，但，一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和，因但，一对电刷之间电势等于一个支路中各绕组电势之和，因此，此，电刷间的电势电刷间的电势为合成电势，是一个脉动的为合成电势，是一个脉动的直流电势直流电势。 并联支路图说明，转子旋转后电并联支路图说明，转子旋转后电枢绕组所有元件被两个电刷所平分为枢绕组所有元件被两个电刷所平分为2 个支路（个支路（1 对极），当对极），当n或或Ia不变，不变，电刷之间串接的绕组电势或产生电磁电刷之间串接的绕组电势或产生电磁转矩不变（转矩不变（书书P.66.公式）。公式）。电势公式电势公式：E=Ken，式（式（5-2-1）转矩公式转矩公式：T=KTIa ，式式（5-2-2） Ke与与KT关系是关系是常数常数：K Ke e=pN/60a=pN/60a；K KT T=pN/2a=pN/2a。KKe e/K/KT T=/301/9.55=/301/9.55。 N N：总有效总有效导体数，导体数，a a：并联支路对数，并联支路对数，p p：极对极对数。数。电刷放置的原则：电刷放置的原则： 为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所为了感应最大电势或产生最大电磁转矩，电刷所短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱（几何短接的（换向）元件的两个边应处于磁通最弱（几何中性线）的位置上。中性线）的位置上。电刷的位置：电刷的位置： 1. 实际位置：磁极的实际位置：磁极的正中（说明不了原理等问正中（说明不了原理等问题）。题）。 2. 示意图位置：直接示意图位置：直接放在几中线的元件上。放在几中线的元件上。展开图上位置展开图上位置原理图上位置原理图上位置电刷与磁极的相对位置不变电刷与磁极的相对位置不变 换向定义：换向定义：从一条支路换到另一条支路，元件内的电流从一条支路换到另一条支路，元件内的电流改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，改变方向。元件必须经过电刷短接后才能进入另一条支路，换向元件中若存在电势则短接时会产生火花换向元件中若存在电势则短接时会产生火花 电磁原因电磁原因（还有机械、电化学等原因）。（还有机械、电化学等原因）。 换向火花危害：换向火花危害：烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。烧坏换向器、绕组，过热、引爆引燃。 换向火花克服：换向火花克服：（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况（通过磁极尖增、去磁电枢反应的情况说明）：说明）：1. 换向极换向极；2. 移动电刷移动电刷（与转向有关，发电机和电（与转向有关，发电机和电动机正好相反）。动机正好相反）。 见书见书P.67 图图5-2-4，注意：发电机和，注意：发电机和电动机的电流与转向的关系正好相反。电动机的电流与转向的关系正好相反。 克服火花应克服火花应移动的方向移动的方向（助记）：（助记）： “顺发、逆动顺发、逆动”。 第二节要点第二节要点 ：原理（：原理（AC / DC转换）；电势、转转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向定义。矩计算；电刷位置；换向定义。 换向及换向火花换向及换向火花5- -3.直流发电机直流发电机 本节的主要内容有四部分本节的主要内容有四部分：l 空载特性空载特性 ：掌握空载特性的实质。掌握空载特性的实质。 l 自励起压过程自励起压过程 ： 掌握自励起压的条件及起压过程分析。掌握自励起压的条件及起压过程分析。l 外特性外特性 ：定义、电压变化率。定义、电压变化率。l 转矩和功率的平衡：转矩和功率的平衡：注意平衡关系。注意平衡关系。条件：条件：I=0I=0，n=nn=nN N。特性：特性：E=fE=f（I If f） 或或 U U0 0 = f= f（I If f）实质：实质： 磁化曲线。与磁化曲线。与同步发电机相似，也是电同步发电机相似，也是电机磁路的磁化曲线。机磁路的磁化曲线。实验测量时注意：实验测量时注意：也应该单方向调节励磁电流，否则也应该单方向调节励磁电流，否则磁滞的影响，将使结果出现偏差。磁滞的影响，将使结果出现偏差。红色的曲线红色的曲线为空载特性为空载特性过程：过程：发电机转动，依靠剩磁可产生很小发电机转动，依靠剩磁可产生很小的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕的剩磁电压，如果接线正确，流过励磁绕组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通组的微小励磁产生的磁通方向与剩磁磁通方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于方向相同，电枢绕组感应的电势增强，于是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，是出现正反馈，如果励磁回路电阻足够小，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，正反馈的作用将继续下去，直到磁路饱和，电势稳定在一个确定的数值上。电势稳定在一个确定的数值上。条件：条件：1. 有剩磁有剩磁（若无，应可充磁）；（若无，应可充磁）； 2. 接线正确接线正确（励磁与剩磁同向）；（励磁与剩磁同向）； 3. 场阻线与空载特性有一个确定的场阻线与空载特性有一个确定的交点交点（励磁电路电阻适当）。（励磁电路电阻适当）。励磁方式：励磁方式：他励、并励和复励（前面他励、并励和复励（前面已讲）已讲） P.69 图图5-3-3。 外特性与励磁方式有关，以并励外特性与励磁方式有关，以并励发电机为主进行说明，注意发电机为主进行说明，注意“条件条件”。 关系式关系式 P.69 式（式（5-3-2）。）。他励：他励：励磁电压不受影响，只有内阻励磁电压不受影响，只有内阻压降。压降。 比并励较硬。比并励较硬。并励：并励：内阻压降使端电压略有下降，内阻压降使端电压略有下降，励磁相对减少。励磁相对减少。 注意：注意：电压变化电压变化率的计算和区别率的计算和区别（P.69）重新解释：重新解释： 直流发电机不用串励的原因。直流发电机不用串励的原因。转矩平衡方程：转矩平衡方程： T T1 1=T+T=T+T0 0， T T电磁转矩，电磁转矩，T T1 1输入转矩，输入转矩，T T0 0空载空载转矩。转矩。功率和效率公式：功率和效率公式：书书P.70.式（式（5-3-6）、（）、（5-3-7）。）。功率平衡：功率平衡：由转矩平衡关系及电压平衡方程得到功率由转矩平衡关系及电压平衡方程得到功率的平衡关系。并由此引出效率的计算公式。的平衡关系。并由此引出效率的计算公式。 第三节要点第三节要点 ：空载特性；自励起压过程、条件；：空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁对应曲线形状）。外特性（各种励磁对应曲线形状）。 5- -4.直流电动机直流电动机 本节的主要内容有三大部分本节的主要内容有三大部分：l 机械特性机械特性 ： 主要点：转动原理、影响特性的因素、特性表达式主要点：转动原理、影响特性的因素、特性表达式和形状。和形状。l 转矩特性转矩特性 ： 了解不同励磁所对应的转矩特性了解不同励磁所对应的转矩特性 形状。形状。l 起动与反转起动与反转 ： 主要点：起动的特点和方法（注意起动时励磁的作主要点：起动的特点和方法（注意起动时励磁的作用）；反转的方法。用）；反转的方法。 直流电动机说明直流电动机说明原理：原理：结构上保证在相同极性磁极下，电流方向相同。结构上保证在相同极性磁极下，电流方向相同。因此就能产生恒定转矩。因此就能产生恒定转矩。电压平衡方程式：电压平衡方程式： U = E + IU = E + Ia a（ R Ra a + R + R ）励磁方式：励磁方式： 并、串、复励磁，书并、串、复励磁，书P.71. 图图5-4-1。 电流之间的关系与励磁方式有关：电流之间的关系与励磁方式有关：书书P.71.图图5-4-1。注意：注意：不用差复励。不用差复励。转动原理：转动原理：电枢通电，在励磁绕组产生的磁场下，受电枢通电，在励磁绕组产生的磁场下，受力起动。电刷和换向器保证每个磁极下导体电流方向力起动。电刷和换向器保证每个磁极下导体电流方向始终不变。始终不变。电磁转矩：电磁转矩： 书书P.71.式（式（5-4-3）与发电机相同。）与发电机相同。机械特性方程式：机械特性方程式：利用利用E0 = Ken、T=KTIa 和电压和电压平衡方程可得：平衡方程可得：n = U/ KeRa/Ke KT2 = n0- kn。特点：特点：并（他）励特性，并（他）励特性， 直线、硬特性直线、硬特性；串励，串励，空空载时载时0，无理想空载转速，注意无理想空载转速，注意“飞车飞车”；（积）；（积）复励，介于并励和串励之间。复励，介于并励和串励之间。自然机械特性：自然机械特性：又称为又称为“固有机固有机械特性械特性”（不人为改变参数）；（不人为改变参数）；人工机械特性：人工机械特性：是人为改变参数是人为改变参数（弱磁、降压、串电阻）。（弱磁、降压、串电阻）。 转矩特性是指：转矩特性是指：电磁转矩电磁转矩 T T 和电枢和电枢电流电流I Ia a的关系曲线，的关系曲线，实际就是电磁转矩实际就是电磁转矩的计算公式的计算公式。 不同的励磁方不同的励磁方式，转矩特性的形式，转矩特性的形状不同。状不同。 因为起动时，转速为零，电枢感应的电势为零，根据电因为起动时，转速为零，电枢感应的电势为零，根据电压平衡方程，起动时电枢电流压平衡方程，起动时电枢电流Ia = （U - Ea）/ Ra = U/ Ra 。而而电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（电枢电阻通常很小，所以起动电流很大（1020倍的额倍的额定电流）。定电流）。0.5kW以上的以上的直流电动机不能直接起动直流电动机不能直接起动，否则，否则Ia、T冲击很大，火花很大。冲击很大，火花很大。 起动方法：在保持起动方法：在保持最大励磁电流最大励磁电流情况下，情况下，1.电枢回路串电阻起动；电枢回路串电阻起动；2.降压起动。起动电降压起动。起动电流控制在流控制在1.52.0I In n。 注：注：1 .起动时，励磁磁场通常应该最大，起动时，励磁磁场通常应该最大，才能减少起动电流，并增加起动转矩；才能减少起动电流，并增加起动转矩；2 .电电枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，枢绕组串联的起动电阻不能采用滑动变阻器，应采用分段切除的变阻器（应采用分段切除的变阻器（大电流）。大电流）。 反转反转方法：方法：1.改变电枢电流方向，励磁电流方向不变改变电枢电流方向，励磁电流方向不变； 2.改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。改变励磁电流方向，电枢电流方向不变。即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线（将两个即：单独改变电枢绕组或单独改变励磁绕组的接线（将两个接线端反接）。接线端反接）。注意：注意：反转时电枢电流更大，应该采取措施反转时电枢电流更大，应该采取措施限流限流。 同时改变电枢和励磁绕组的接线，则电枢电流和励磁电同时改变电枢和励磁绕组的接线，则电枢电流和励磁电流的方向将同时改变，电动机的电磁转矩的方向不变，电动流的方向将同时改变，电动机的电磁转矩的方向不变，电动机的转速也不变。机的转速也不变。交、直流两用电动机交、直流两用电动机的工作原理就是以此的工作原理就是以此为依据的。交、直流两用电动机实际上是一台直流电动机，为依据的。交、直流两用电动机实际上是一台直流电动机，使用时若电源为交流电，则转向仍然不会发生变化。使用时若电源为交流电，则转向仍然不会发生变化。 第四节要点第四节要点 ：机械特性（各种励磁）；转矩特性；：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。起动、反转（方法）。 第五章第五章 各节要点各节要点n n 各节要点各节要点：第一节第一节：基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数基本结构（电刷、换向器的作用）；铭牌数据；励磁方式。据；励磁方式。 第二节第二节：原理（原理（AC/DC转换）；电势、转矩计算；电转换）；电势、转矩计算；电刷位置；换向。刷位置；换向。 第三节第三节：空载特性；自励起压过程、条件；外特性空载特性；自励起压过程、条件；外特性（各种励磁曲线）。（各种励磁曲线）。第四节第四节：机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、机械特性（各种励磁）；转矩特性；起动、反转（方法）。反转（方法）。 第五章的主要内容第五章的主要内容n主主要要内内容容：知知道道直直流流电电机机的的结结构构原原理理和和励励磁磁方方式式；掌掌握握直直流流电电机机电电枢枢电电势势和和电电磁磁转转矩矩的的分分析析方方法法；掌掌握握直直流流发发电电机机的的特特性性；掌掌握握直直流流电电动动机机机机械械特特性性；能能够够根根据据电电压压平平衡衡方方程程和和有有关关特特性性进进行行相相应应计计算算。 也是也是“计算点计算点”之一。之一。 n电电枢枢绕绕组组元元件件的的交交流流电电流流、电电势势是是如如何何转转变变成成电电刷刷两两端端的的直直流流电电流流和和电电势势的的？发发电电机机是是如如何何自自励励起起压压的的？电电动动机机的的起起动动方方法法和和起起动动过过程程分分析析等等概概念念应应该该掌握。掌握。n计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、计算任务主要是：电磁转矩、功率、电动势、转速、电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本电动机起动电阻等的计算。本章的计算任务也是本课程的主要计算任务之一。课程的主要计算任务之一。